EP0029471A1 - Verfahren zur Herstellung eines Lagerkörpers für ein Gleitlager hoher Wärmeleitfähigkeit und Lagerkörper - Google Patents
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- EP0029471A1 EP0029471A1 EP79200796A EP79200796A EP0029471A1 EP 0029471 A1 EP0029471 A1 EP 0029471A1 EP 79200796 A EP79200796 A EP 79200796A EP 79200796 A EP79200796 A EP 79200796A EP 0029471 A1 EP0029471 A1 EP 0029471A1
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Definitions
- the invention relates to a method for producing a bearing body according to the preamble of claim 1 and a bearing body according to the preamble of claim 2.
- Bearing bodies for plain bearings have so far mostly been made either from a copper alloy (e.g. bronze) or from steel or cast iron, to which a layer of tin-white metal (usually Sn / Pb / Sb alloy) was then usually applied by pouring .
- a copper alloy e.g. bronze
- tin-white metal usually Sn / Pb / Sb alloy
- Such processes and the products produced thereafter are well known from the literature (e.g. Czochralski, bearing metals and their technological assessment, Springer Berlin, 1920; W. Hilgers, dependence of the bearing material properties in composite bearings on the support structure, VDI reports No. 248, 1975, Pp. 149-158; H. Loewie, From the Practice of Plain Bearing Manufacturing, Goldschmidt informs 2/70, No. 11, pp. 25 - 26; W.
- the invention has for its object to provide a simple method for producing a bearing body based on white metal, which allows to use the maximum permissible operating temperatures for tin-white metal with high thermal conductivity and therefore high load capacity and thanks to good bond between the bearing material and support body material a long service life and high operational reliability guaranteed.
- a bearing body for a radial bearing half-shell is shown in perspective.
- the bearing body forming a radial bearing half-shell 1 is composed of a copper jacket 2 as the base body (support body), a cylindrical iron intermediate layer 3 and a likewise cylindrical white metal spout 4 as the cover layer, which forms the actual running surface facing the shaft.
- the intermediate iron layer 3 generally has a thickness of 15 to 150 p, while the white metal spout 4 is generally selected to be several mm thick.
- the intermediate layer 3 can also consist of a sequence of a layer of nickel and a layer of iron, the latter being on the side of the white metal spout 4.
- the pure copper of the jacket 2 can be replaced by a copper alloy with a chromium and / or zirconium content.
- Fig. 2 shows the perspective view of a bearing body for a segment bearing.
- the axial bearing circular segment 5 consists of a copper block 6 as the base body (support body), a flat iron intermediate layer 7 and a flat infusion as a white metal cover layer 8.
- a flat iron intermediate layer 7 as the base body (support body)
- a flat infusion as a white metal cover layer 8.
- FIG. 3 shows a section through the layer sequence of a bearing body.
- the basic structure of copper base (2; - 6), iron intermediate layer (3; 7) and white metal cover layer (4; 8) as a tread is self-explanatory.
- the procedure for producing the bearing body of a radial bearing consisting of two half-shells 1 was as follows: From a pure copper bar of a preform suitable for this purpose (for example a hollow cylindrical body), two half-shells were screwed out as base body 2, each 120 mm long, 160 mm outside and 108 mm inside diameter.
- the target inner diameter of the finished bearing shell should be 100 mm, which corresponds to a white metal layer of 4 mm radial thickness.
- the surface parts of the base body 2 (copper cladding) which are not to be provided with a white metal coating were covered with a suitable lacquer which withstood the chemicals below, whereupon the inner surface of the bore was degreased with a soda solution at a temperature of 60 ° C.
- the bathroom had the following characteristics: After about 1 h, an intermediate layer 3 of pure iron with a thickness of 30 ⁇ m had adhered to the surface of the base body 2.
- the iron bath can have the following characteristics:
- the iron intermediate layer 3 can have a thickness of 15 to 150 ⁇ m, depending on the size of the object.
- the bearing body was rinsed in hot water, dried and the topcoat removed distant. Then all surfaces not to be tinned were covered with water glass.
- the surface of the iron intermediate layer 3 to be tinned was then coated with a solution of zinc chloride in water. Any specific soldering water available on the market can also be used.
- the bearing shell was then briefly immersed in liquid tin for tinning and immediately assembled with the correspondingly treated second half-shell and poured out with liquid tin-white metal in a manner known per se using the centrifugal casting method.
- the radial thickness of the white metal spout 4 was 4 mm.
- the tin-rich types are particularly suitable as white metals.
- the composition was as follows:
- tin-based white metals of the following composition can advantageously be used: Metallographic examination revealed that the zone of hard intermetallic compounds of the Fe / Sn
- a segment-shaped workpiece was worked out from a suitable plate as a base body 6 from a copper alloy with 0.5% chromium and 0.1% zircon. This alloy was chosen because it has increased mechanical strength compared to pure copper while maintaining its high thermal conductivity. It must be pointed out here that the base body 6 can of course also consist of another copper alloy of high conductivity such as bronzes or special bronzes, the copper content generally having to be at least 70%.
- the dimensions of the base body 6 corresponded to a circular ring of 300 mm inside and 800 mm outside diameter, with a thickness of 100 mm.
- the base body was cleaned in accordance with the method given in Example I; and then immediately electrolytically pretreated in a special iron bath.
- This additional process step preceding the actual main galvanic treatment has the purpose of increasing the adhesive strength of the iron intermediate layer 7 in view of the composition of the base body 6 (presence of the alloy elements chromium and zirconium)
- the upstream iron bath had the following characteristics:
- Example I After the galvanic iron intermediate layer 7 had been applied to the flat surface of the base body 6 to be covered with white metal, it was tinned in the conventional manner described in Example I.
- the white metal cover layer 8 was then applied in a free-standing casting process to a thickness of 6 mm. For the rest, the details consistently corresponded to the characteristics in Example I.
- the method according to the invention makes it possible to Plain bearings on the basis of tin-white metal by increasing the heat dissipation via a base body (support body) made of copper or a copper alloy compared to iron alloys (steel, cast iron) to increase the load capacity without operational embrittlement and premature crack formation in the intermetallic bonding zone between white metal and To have to accept carrier metal. Thanks to the firmly adhering intermediate layer of iron between the bearing metal and the support body, a high level of operational safety and a long service life are guaranteed, even under high loads on the bearings.
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Abstract
Lagerschalen und Segmente für Gleitlager auf Weissmetallbasis hoher Wärmeleitfähigkeit werden dadurch hergestellt, dass der aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehende Grundkörper (2) zunächst elektrolytisch mit einer dünnen Eisenzwischenschicht (3) versehen wird, auf welche dann der Weissmetall-Ausguss (4) als Deckschicht (Lauffläche) aufgebracht wird.
Description
- Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Lagerkörpers nach der Gattung des Anspruchs 1 und von einem Lagerkörper nach der Gattung des Anspruchs 2.
- Lagerkörper (meist Lagerschalen) für Gleitlager wurden bisher meistens entweder aus einer Kupferlegierung (z.B. Bronze) oder aus Stahl oder Gusseisen gefertigt, auf welche dann eine Schicht Zinn-Weissmetall (meist Sn/Pb/Sb-Legierung) in der Regel durch Ausgiessen aufgebracht wurde. Derartige Verfahren sowie die danach hergestellten Erzeugnisse sind aus der Literatur hinlänglich bekannt (z.B. Czochralski, Lagermetalle und ihre technologische Bewertung, Springer Berlin, 1920; W. Hilgers, Abhängigkeit der Lagerwerkstoffeigenschaften in Verbundlagern von der Stützkörperkonstruktion, VDI-Berichte Nr. 248, 1975, S. 149-158; H. Loewie, Aus der Praxis der Gleitlagerfertigung, Goldschmidt informiert 2/70, Nr. 11, S. 25 - 26; W. Hilgers, Verbesserung der Bindungsfestigkeit von Stützkörpern aus Gusseisen mit Lagerwerkstoffen, Goldschmidt informiert 3/74, Bei niedrigen Belastungen und vergleichsweise niedrigen Temperaturen haben sich derartige herkömmliche Lagerkörper im allgemeinen gut bewährt. Die Haftung zwischen Bronze und Zinn-Weissmetall ist ausgezeichnet, diejenige zwischen Eisenlegierungen und Zinn-Weissmetall in der Regel gut. Bei höchsten Belastungen und demzufolge höheren Temperaturen (120 0 C und mehr) hat jedoch die Kombination Kupferlegierung/Zinn-Weissmetall die unangenehme Eigenschaft, dass die in der Uebergangszone für die Haftung und Bindung verantwortliche Schicht spröder und harter intermetallischer Verbindungen in der Dicke zufolge erhöhter Diffusion zunimmt und daher der Verband durch Rissbildung und Abblättern gefährdet ist. Andererseits sind Lagerschalen aus Eisenlegierungen (Stahl, Gusseisen) vergleichsweise schlechte Wärmeleiter, so dass der Belastung von der Temperaturseite des Zinn-Weissmetalles her bald Grenzen gesetzt sind-(hoher Temperaturgradient Weissmetalloberfläche/ Stützkörperoberfläche).
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zur Herstellung eines Lagerkörpers auf der Basis von Weissmetall anzugeben, welches bei hoher Wärmeleitfähigkeit und demzufolge hoher Belastbarkeit die für Zinn-weissmetall höchstzulässigen Betriebstemperaturen auszunutzen gestattet und dank guter Bindung zwischen Lagerwerkstoff und Stützkörpermaterial eine lange Lebensdauer und hohe Betriebssicherheit gewährleistet.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
- Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, durch Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben.
- Dabei zeigt:
- Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Lagerkörpers für eine Radiallager-Halbschale,
- Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Lagerkörpers für ein Axiallager-Kreissegment,
- Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch die Schichtfolge eines Lagerkörpers.
- In Fig. 1 ist ein Lagerkörper für eine Radiallager-Halbschale perspektivisch dargestellt. Der eine Radiallager-Halbschale 1 bildende Lagerkörper setzt sich aus einem Kupfermantel 2 als Grundkörper (Stützkörper), einer zylindrischen Eisen-Zwischenschicht 3 und einem ebenfalls zylindrischen Weissmetall-Ausguss 4 als Deckschicht zusammen, welcher die eigentliche, der Welle zugekehrte Lauffläche bildet. Die Eisen-Zwischenschicht 3 weist je nach Lagergrösse in der Regel eine Dicke von 15 bis 150 p auf, während der Weissmetall-Ausguss 4 im allgemeinen mehrere mm dick gewählt wird. Die Zwischenschicht 3 kann auch aus einer Folge einer Lage Nickel und einer Lage Eisen bestehen, wobei das letztere auf der Seite des Weissmetall-Ausgusses 4 liegt. Weiterhin kann das Reinkupfer des Mantels 2 durch eine Kupferlegierung mit Chrom- und/oder Zirkongehalt ersetzt sein.
- Fig. 2 zeigt die perspektivische Darstellung eines Lagerkörpers für ein Segmentlager. Das Axiallager-Kreissegment 5 besteht aus einem Kupferblock 6 als Grundkörper (Stützkörper), einer ebenen Eisen-Zwischenschicht 7 und einem ebenen Aufguss als Weissmetall-Deckschicht 8. Bezüglich Dicke der einzelnen Schichten und Variation der Werkstoffzusammensetzung wird auf den Text unter Fig. 1 verwiesen.
- In Fig. 3 ist ein Schnitt durch die Schichtfolge eines Lagerkörpers dargestellt. Der grundsätzliche Aufbau aus Kupfer-Grundkörper (2;--6), Eisen-Zwischenschicht (3; 7) und Weissmetall-Deckschicht (4; 8) als Lauffläche erklärt sich von selbst.
- Zur Herstellung der Lagerkörper eines aus zwei Halbschalen 1 bestehenden Radiallagers wurde wie folgt vorgegangen: Aus einem Reinkupferbarren einer hiefür geeigneten Vorform (beispielsweise hohlzylindrischer Körper) wurden zwei Halbschalen als Grundkörper 2 von je 120 mm Länge, 160 mm Aussen- und 108 mm Innendurchmesser herausgedreht. Dabei soll der Soll-Innendurchmesser der fertigen Lagerschale 100 mm betragen, was einer Weissmetallschicht von 4 mm radialer Dicke entspricht. Die nicht mit Weissmetallauflage zu versehenden Oberflächenteile des Grundkörpers 2 (Kupfermantel) wurden mit einem geeigneten, den nachfolgenden Chemikalien widerstehenden Lack abgedeckt, worauf die Innenfläche der Bohrung mit einer Sodalösung bei einer Temperatur von 60°C entfettet wurde. Anschliessend wurde die Kupferoberfläche durch Eintauchen des Körpers während 5 Minuten in eine 15 %-ige Schwefelsäurelösung bei 60°C gebeizt und nachträglich mit Wasser abgespült. Das derart gereinigte Werkstück wurde hierauf sofort in ein Elektrolysebad zwecks elektrolytischer Eisenabscheidung übergeführt. Das Bad wies folgende Charaktristik auf:
Nach ca. 1 h hatte sich eine auf der Oberfläche des Grundkörpers 2 fest haftende Zwischenschicht 3 aus reinem Eisen in einer Dicke von 30 µ gebildet. -
- Die Eisenzwischenschicht 3 kann je nach Grösse des Objekts eine Dicke von 15 bis 150 µ aufweisen.
- Nach Fertigung der Zwischenschicht 3 wurde der Lagerkörper in heissem Wasser abgespült, getrocknet und der Abdecklack entfernt. Daraufhin wurden alle nicht zu verzinnenden Oberflächen mit Wasserglas abgedeckt. Selbstverständlich können hierzu auch die im Handel gängigen Mittel benutzt werden. Die zu verzinnende Oberfläche der Eisen- Zwischenschicht 3 wurde hierauf mit einer Lösung von Zinkchlorid in Wasser bestrichen. Es kann hierzu auch jedes marktgängige spezifische Lötwasser benutzt werden. Die Lagerschale wurde dann zum Verzinnen kurz in flüssiges Zinn getaucht und sofort mit der entsprechenden gleichbehandelten zweiten Halbschale zusammengebaut und nach dem Schleudergussverfahren in an sich bekannter Weise mit flüssigem Zinn-Weissmetall ausgegossen. Die radiale Dicke des Weissmetall-Ausgusses 4 betrug dabei 4 mm. Als Weissmetalle eignen sich vor allem die zinnreichen Typen. Im vorliegenden Fall stellte sich die Zusammensetzung wie folgt:
-
- äusserst schmal war und sich auch nach längerer Erwärmung auf Betriebstemperatur (120 - 150°C) kaum veränderte, was auf die niedrige Diffusionsgeschwindigkeit hinweist. Der ausserdem durchgeführte Abdruckversuch ergab eine gute Haftfestigkeit der Zwischenschicht und der WeissmetallAuflage. Der Bruch erfolgte durchwegs im Weissmetall selbst.
- Zur Herstellung eines Lagerkörpers eines mit sechs Kreissegmenten 5 bestehenden hochbelasteten Axiallagers wurde aus einer geeigneten Platte ein segmentförmiges Werkstück als Grundkörper 6 aus einer Kupferlegierung mit 0,5 % Chrom und 0,1 % Zirkon herausgearbeitet. Diese Legierung wurde gewählt, weil sie gegenüber Reinkupfer unter Wahrung der hohen Wärmeleitfähigkeit eine erhöhte mechanische Festigkeit aufweist. Es muss hier darauf hingewiesen werden, dass der Grundkörper 6 selbstverständlich auch aus einer anderen Kupferlegierung hoher Leitfähigkeit wie beispielsweise Bronzen oder Sonderbronzen bestehen kann, wobei in der Regel der Kupfergehalt mindestens 70 % betragen muss. Der Grundkörper 6 entsprach in seinen Abmessungen einem Kreisring von 300 mm Innen- und 800 mm Aussendurchmesser, bei einer Stärke von 100 mm. Zusätzlich wurde der Grundkörper gemäss dem in Beispiel I angegebenen Verfahren gereinigt; und anschliessend sogleich in einem speziellen Eisenbad elektrolytisch vorbehandelt. Dieser zusätzliche, der eigentlichen galvanischen Hauptbehandlung vorangehende Verfahrensschritt hat den Zweck, die Haftfestigkeit der Eisen-Zwischenschicht 7 in Anbetracht der Zusammensetzung des Grundkörpers 6 (Vorhandensein der Legierungselemente Chrom und Zirkon) zu erhöhen.Das vorgeschaltete Eisenbad hatte folgende Charakteristik:
- Nach ca. 5 min dieser Vorbehandlung wurde das Werkstück möglichst schnell und ohne Zwischenspülung in das unter Beispiel I beschriebene Hauptbad überführt.
-
- Nach dem Aufbringen der galvanischen Eisen-Zwischenschicht 7 auf der mit Weissmetall zu bedeckenden ebenen Fläche des Grundkörpers 6 wurde diese in herkömmlicher, unter Beispiel I beschriebenen Weise verzinnt. Anschliessend wurde die Weissmetall-Deckschicht 8 im Standgussverfahren in einer Dicke von 6 mm aufgebracht. Im übrigen entsprachen die Einzelheiten durchwegs den Charakteristiken in Beispiel I.
- Durch das erfindungsgemässe Verfahren wird es möglich, bei Gleitlagern auf der Basis von Zinn-Weissmetall durch wesentliche Verbesserung der Wärmeabfuhr über einen Grundkörper (Stützkörper) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gegenüber Eisenlegierungen (Stahl, Gusseisen) die Belastbarkeit zu erhöhen, ohne eine betriebsbedingte Versprödung und vorzeitige Rissbildung in der intermetallischen Bindungszone zwischen Weissmetall und Trägermetall in Kauf nehmen zu müssen. Dank der fest haftenden Eisen-Zwischenschicht zwischen Lagermetall und Stützkörper wird eine hohe Betriebssicherheit und lange Lebensdauer auch bei hohen Belastungen der Lager gewährleistet.
-
- 1 = Radiallager-Halbschale
- 2 = Kupfermantel als Grundkörper
- 3 = Eisen-Zwischenschicht (zylindrisch)
- 4 = Weissmetall-Ausguss als Deckschicht (zylindrisch)
- 5 = Axiallager-Kreissegment
- 6 = Kupferblock als Grundkörper
- 7 = Eisen-Zwischenschicht (eben)
- 8 = Weissmetall-Deckschicht (eben)
Claims (9)
1. Verfahren zur Herstellung eines Lagerkörpers für ein Gleitlager hoher Wärmeleitfähigkeit auf der Basis von Zinn-Weissmetall, dadurch gekennzeichnet, dass die der Welle zugekehrte Oberfläche eines Grundkörpers (2; 6) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung zunächst gereinigt, dann elektrolytisch mit einer dünnen Zwischenschicht (3; 7) aus Eisen versehen und abschliessend durch Aus-, Ein- oder Aufgiessen mit einer Deckschicht (4; 8) aus Weissmetall abgedeckt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) aus Reinkupfer besteht und dass die Zwischenschicht (3) aus Eisen in einem Arbeitsgang unter Zuhilfenahme eines zweiwertiges Eisenammonium-Sulfat enthaltenden Eisenbades mit einem PH-Wert von 3,5 - 3,8 bei einer Temperatur von 30 - 35°C und einer kathodischen Stromdichte von 15 - 25 A/dm2 elektrolytisch aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (6) aus einer Kupferlegierung mit 0,5 % Chrom und 0,1 % Zirkon besteht und dass die Zwischenschicht (7) aus Eisen in zwei Arbeitsgängen unter Zuhilfenahme von zwei verschiedenen, zweiwertiges Eisenammonium-Sulfat enthaltenden Eisenbädern unterschiedlicher Charakteristiken elektrolytisch aufgebracht wird, derart, dass das erste Eisenbad einen PH-Wert von 2,8 - 3,2, eine Temperatur von 25 - 30°C und eine kathodische Stromdichte von 30 - 50 A/dm2 aufweist, während das zweite Eisenbad einen PH-Wert von 3,5 - 3,8, eine Temperatur von 30 - 35°C und eine kathodische Stromdichte von 15-- 25 A/dm2 aufweist, und dass der zu beschichtende Grundkörper (6) innert kürzester Zeit und ohne Zwischenspülung vom ersten in das zweite Bad übergeführt wird.
4. Lagerkörper für ein Gleitlager hoher Wärmeleitfähigkeit, hergestellt nach dem Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem Grundkörper (2; 6) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit mindestens 70 % Kupfer, einer dünnen Zwischenschicht (3; 7) aus Eisen und einer Deckschicht (4; 8) aus Weissmetall auf der der Welle zugekehrten Seite besteht.
5. Lagerkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (3; 7) aus Eisen eine Dicke von 15 µ bis 150 µ aufweist.
6. Lagerkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass er in Form einer zylindrischen Radiallager-Halbschale (1) oder eines Axiallager-Kreissegmentes (5) ausgebildet ist.
7. Lagerkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2; 6) aus Kupfer besteht.
8. Lagerkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2; 6) aus einer Kupferlegierung mit 0,5 % Chrom und 0,1 % Zirkon besteht.
9. Lagerkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (4; 8) aus Weissmetall mit 3 bis 6 Gew.-% Antimon, 1 bis 10 Gew.-% Kupfer, max. 5 Gew.-% Blei, Rest Zinn besteht.
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